高溫合金——現代工業裝備領域的關鍵材料

高溫合金在軍民工業領域運用廣泛，是制造發動機以及燃氣輪機熱端部件的關 鍵材料。國防建設的需求以及國家的大力支持持續推動著高溫合金產業的發展， 市場前景廣闊。高溫合金簡介高溫合金是指一般以鐵、鎳、鈷為基，能在大約 600℃以上的高溫下抗氧化或 腐蝕，并能在一定應力作用下長期工作的一類合金。鐵基高溫合金使用溫度一 般只能達到 700℃左右，多應用于交通運輸、石油化工、礦山冶金等領域;鈷 基高溫合金受限于鈷元素的開采和使用，尚無法實現大范圍的推廣應用;鎳基 高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊重要的地位，可以在高于 1000℃的惡劣 環境中保持較好的力學性能，因而廣泛地用來制造高性能的航空發動機和各種 工業燃氣輪機的最熱端部件。在研發應用中，一般按制備工藝劃分成鑄造高溫合金、變形高溫合金和其他幾 類新型高溫合金。其中變形高溫合金應用最為廣泛，大致占比達 70%，鑄造高 溫合金和新型高溫合金分別為 20%、10%。應用從航空航天向其他工業領域擴展高溫合金材料具備優良的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞，最初因制造工藝復雜，量 產困難，主要應用于航空航天領域。隨著技術的發展和產量的提升，逐漸被應 用到電力、機械、工業、汽車等領域。據 Roskill 統計，全球每年消費高溫合金 材料約 30 萬噸，其中約 55%用于航空航天領域，其次是電力領域，占 20%。

在航空航天領域，高溫合金是制造航空航天發動機熱端部件的關鍵材料。在液 體火箭發動機中，高溫合金應用比例接近總重量的一半，逐漸呈現出復雜化、 薄壁化、復合化、多位一體、無余量的趨勢。在先進的航空發動機中，關鍵的 熱端承力部件均為高溫合金，高溫合金用量占發動機總重量的 40%-60%以上， 發動機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料的性能水平。在民用工業領域，高溫合金應用面不斷擴大，特別是耐高溫耐腐蝕合金在石油 化工、玻璃和玻纖以及機械制造等行業的應用有明顯的進展。以工業燃氣輪機 為例，其需求快速增長，除用于發電外，還用于艦船動力、天然氣輸送的加壓 站等。此外，納米材料系列、生物醫學材料系列、電子工程用靶材系列等高溫合金產品也在不斷發展，以滿足相關高溫的腐蝕環境要求。政策支持下我國高溫合金快速發展我國高溫合金研發起步較國外發達國家晚，在國防建設需要以及國家的大力支 持下，經過幾代人的努力，我國高溫合金已完成了從仿制、改進到創新的轉變， 合金的耐溫性能從低到高，新型材料得以開發，生產工藝不斷改進且產品質量 不斷提高，并建立和完善了我國的高溫合金體系。最新出版的《中國高溫合金 手冊》已包含 201 個合金牌號，可供航空、航天及其他工業部門選用。師昌緒院士將我國高溫合金的發展分為三個階段。第一階段從 1956 年至 20 世 紀 70 年代初，是我國高溫合金的創業和起始階段，由蘇聯專家指導下煉出的第 一爐高溫合金 GH3030 拉開序幕。1960 年后，國際形勢要求我國必須獨立自主 的研制和生產主要殲擊機發動機所需的各種高溫合金材料，該階段主要成果是 仿制前蘇聯高溫合金為主體的合金體系。第二階段從 20 世紀 70 年代中到 90 年代中期，這是我國高溫合金的提高階段。材料研制全面引入歐美技術，參照國外的技術標準，在生產過程中建立嚴格的 質量管理體系，學習規范質量檢測標準。這一階段，研制成功了多種新型的高 溫合金，生產工藝技術和產品質量控制達到了一個新的高度。第三階段是從 20 世紀 90 年代中至今這段時間, 這是我國高溫合金發展的新階 段。該階段，我國應用和開發出一批新工藝, 研制和生產了一系列高性能、高 檔次的新合金。現在國內已形成了一批具有一定規模的母合金生產廠、鍛件熱 加工廠、精密鑄件廠和研究機構。高溫合金的升級對于航空航天及其他工業部分的發展都有著重要的意義。特別 是在航空航天領域，可以說一代材料一代新型發動機，材料是產業升級的基礎。高溫合金新材料及先進制備技術的研究，助力航空航天發動機向更高承溫、更 高性能、更低重量、更高可靠性、更低成本、更易維護等方向發展。為了促進 高溫合金行業的發展，近年來國家也出臺了一系列支持政策。

供給不足，行業生態健康

我國高溫合金產業發展較快，但技術與世界先進水平仍存在差距，并且國內生 產能力不足，高端品種尚未實現自主可控，供需缺口較大。高溫合金新進入壁 壘高，產能增長以現有廠商擴產為主，增速較為緩慢。業內競爭格局良好，主 要廠商形成競合關系。行業特性促使高溫合金成為單價高、毛利高品種。國內供應存缺口，單價高、毛利高自 1956 年第一爐高溫合金 GH3030 試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研 究、生產和應用已經經歷了 60 多年的發展。60 年的時間里，我國高溫合金從 無到有，從仿制到自主創新，取得了不凡的成績。但目前來看，我國高溫合金 仍存在供應缺口，且高端品種尚未實現自主可控。關于高溫合金的產銷量，市場沒有統一計算口徑。特鋼協會數據顯示 2019 年 會員企業高溫合金鋼產量為 8499 噸。前瞻產業研究院數據顯示，2018 年我國 高溫合金材料年生產量約 3.5 萬噸左右，消費量達 5.9 萬噸。中國產業信息網數據，2018 年我國高溫合金產量約 2.2 萬噸，市場需求量約 3.7 萬噸。總體反 映出高溫合金市場存在 40%左右的供給缺口。因高溫合金產品具有很高技術含 量，要求一定的技術儲備和研發實力，進入壁壘相對較高。高端產品產能增長 將主要依靠現有企業產能的擴張，但實際有效產量增長較小，市場缺口短期較 難填補。

同時，我國高溫合金材料對進口的依賴度依舊較高。一是因技術相對落后，高 端產品未完全國產化。在技術水平上，我國與美國、俄羅斯等國仍有著較大差 距。比如在重型燃氣輪機、深海石油等應用量大的產業，以及更高性能航空航 天發動機等領域，相關高溫合金材料產品還沒有完全實現國產化，產品依賴進 口。高溫合金的特性及產業結構促使其價格及毛利始終保持較高水平。以撫順特鋼、 鋼研高納、圖南股份為例，近三年其高溫合金產品均價在 12-22 萬元/噸水平， 毛利率保持在 30%左右，具體因產品結構、產品附加值高低、下游屬于軍品或 民品客戶，原材料價格變動、成材率情況而不同。業內競合關系為主，進入壁壘高高溫合金行業生態健康，企業間主要為競合關系。一方面因為行業總供給尚不 能滿足國內需求，企業均以努力實現技術創新、擴大產能、滿足市場需求為目 標共同發展。另一方面因為高溫合金廣泛應用于軍工領域，自主可控要求下很 多對供應商設置了雙流水制度。高溫合金進入壁壘高，體現在技術壁壘、銷售渠道、資金實力等方面。且新進 入者往往面臨產品成材率低的問題，需要經歷較長的時間探索，進行工藝改良， 通過經驗總結，提升產品成材率。高進入壁壘將使行業未來一段時間內競爭格 局仍有望保持良好狀態。高溫合金材料具有很高的技術含量，特種冶煉、精密鑄造等工序均需要技術沉 淀，尤其是航空航天類應用產品對質量可靠性、性能穩定性、產品外觀尺寸精 確性等方面都有著非常苛刻的指標要求，加之后續工藝改良及成材率提升的行 業發展要求，都需要長期經驗積累，高溫合金對企業技術儲備、研發實力和人 才培養要求很高。

在銷售渠道方面，一是行業存在準入壁壘，高溫合金應用于軍品相關生產活動必須通過嚴格審查并取得軍工資質;在民用航空發動機、核電裝備等領域，也 存在相應的資質認證管理體系，生產廠家需要通過獲得相關行業準入資質和認 證，才能進入市場。二是市場先入優勢明顯，高溫合金主要應用于各種極端惡 劣環境下，故對下游客戶而言，性能穩定性和質量可靠性是其最重要的考慮因 素，高溫合金產品通過下游客戶系統認證所需時間周期可長達 3-5 年，因此用 戶在經過嚴格的試用程序而選定供應商后，一般不會再輕易更換，后入者打通 銷售渠道難度大幅增加。在資金方面，高溫合金企業前期需投入大量資金購置先進生產設備，且產品研 發周期較長，公司需持續投入支持新產品的迭代更新。未來三年有萬噸產能增量因為高溫合金領域新進入者壁壘較高，行業產能增量主要來源于現有企業擴產。近年來，隨著下游需求的快速增長，高溫合金供不應求，主流廠商紛紛擴建以 滿足發動機、石化等領域的新增需求，在國家政策導向下國產替代進程加速。但因生產工藝復雜，產品牌號眾多，且存在下游認證周期長等問題，實際產量 增速或小于產能增速。

需求放量，市場增長可期

我國高溫合金需求增長迅速，供需缺口短期難以彌補。發動機領域，軍用飛機 數量增加，發動機維護以及發動機國產替代工作的推進，高溫合金需求量增長 明確。燃氣輪機國產替代進程不斷加速，在海軍艦艇建設以及燃氣輪機裝配比 例提升，天然氣管網大規模建設以及燃氣發電項目增長下相關領域高溫合金需 求前景巨大。汽車方面，國內汽車產量的提升以及國內渦輪增壓車型占比持續 提升，高溫合金消費量將持續上漲。此外，在航天、核電、石化冶金等領域， 高溫合金需求也在不斷增長，預計 2020-2025 年間，需求復合增速達 7.5%。航空發動機需求增長明確在先進航空發動機中，高溫合金用量占發動機總重量的 40%-60%以上，主要用于燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用于機匣、環 件、加力燃燒室和尾噴口等部件。發動機的性能水平在很大程度上取決于高溫 合金材料的性能水平。高推重比、低油耗和高可靠性是航空發動機發展的主要 目標，為了提高發動機的推力和效率，要求盡可能提高發動機的渦輪進口溫度， 數據顯示，推重比為 10 的發動機渦輪進口溫度已達 1580-1650℃。燃燒室是發動機各部件中溫度最高的區域，燃燒室內燃氣溫度可達 1500-2000℃，作為燃燒室壁的高溫合金材料需承受 800-900℃的高溫，局部甚 至高達 1100℃以上。除需承受高溫外，燃燒室材料還應能承受周期性點火啟動 導致的急劇熱疲勞應力和燃氣的沖擊力。用于制造燃燒室的主要材料有高溫合 金、不銹鋼和結構鋼，其中用量最大、最為關鍵的是變形高溫合金。導向器也稱為渦輪導向葉片，用來調整燃燒室出來的燃氣流向，是渦輪發動機 上承受溫度最高、熱沖擊最大的零部件，材料工作溫度最高可達 1100℃以上， 但渦輪導向葉片承受的應力比較低，一般低于 70MPa。該零件往往由于受到較 大熱應力而引起扭曲，溫度劇變產生熱疲勞裂紋以及局部溫度過高導致燒傷而 報廢，因此導向器材料大多采用精密鑄造鎳基高溫合金。渦輪葉片是渦輪發動機中工作條件最惡劣也是最關鍵的部件，由于其處于溫度 最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件。渦輪葉片在承受 高溫的同時要承受很大的離心應力、振動應力、熱應力等。其所承受溫度低于 相應導向葉片 50-100℃，但在高速轉動時，由于受到氣動力和離心力的作用， 葉身部分所受應力高達 140MPa，葉根部分達 280-560MPa，渦輪葉片材料大 多也是精密鑄造鎳基高溫合金。渦輪葉片其結構與材料的不斷改進已成為航空 發動機性能提升的關鍵因素之一。渦輪盤在四大熱端部件中所占質量最大。渦輪盤是航空發動機上的重要轉動部 件，工作溫度不高，一般輪緣為 550-750℃，輪心為 300℃左右，因此盤件徑 向的熱應力大，特別是盤件在正常高速轉動時，由于盤件質量重達幾十至幾百 千克，且帶著葉片旋轉，要承受極大的離心力作用，在啟動與停車過程中又構 成周期性的大應力低周疲勞。用作渦輪盤的高溫合金為屈服強度很高、細晶粒 的變形高溫合金和粉末高溫合金。在航空發動機領域，隨著軍機數量增加，發動機維護以及發動機國產替代工作 的推進，高溫合金需求量有望迎來較快增長。裝備費占比持續提升，軍機數量穩步上漲。2019 年 7 月國務院新聞辦公室發表 《新時代的中國國防》白皮書，內容顯示我國軍費中裝備費的占比持續提升， 自 2012 年的 36%提升至 2017 年的 41%，軍費增加用于加大武器裝備建設投 入，淘汰更新部分落后裝備，升級改造部分老舊裝備，研發采購航空母艦、作 戰飛機、導彈、主戰坦克等新式武器裝備，穩步提高武器裝備現代化水平。2017年裝備費增速有所放緩，后期隨著軍改基本完成，裝備采購明顯加速，軍品訂 單恢復正常狀態。《World Air Forces 2021》數據顯示，我國軍機數量為 3260 架， 占世界軍機總量的 6%，2011 年來，軍機數量復合增長率約為 2.6%。

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景 目標的建議》在談到軍隊建設目標時，首次提出“確保二〇二七年實現建軍百 年奮斗目標”，這是對既往建軍目標與時俱進的充實和具體化，充分體現了黨中 央立足國家發展和安全戰略全局，奮力推進強軍事業的戰略意志和堅定決心。隨著軍用飛機數量的增長，對應航空發動機應用高溫合金也有望迎來較快增長。此外，考慮到發動機實驗、備貨需求以及高溫端使用壽命有限，存量發動機因 飛行訓練帶來更換和大修需求，預期 2020-2025 年間，軍用航空發動機領域高 溫合金需求復合增速有望達到 6.5%。在民用航空領域，市場空間巨大，但全球市場已發展較為成熟，生產公司主要 包括 CFM、RR、GE、P&W 等歐美企業，競爭格局相對穩定。國內民用航空發動機起步較晚，隨著 CJ1000 商用大涵道比航空發動機關鍵部 件的不斷攻克，作為 C919 的國產替代發動機，未來有望成為國內民用航發批 量應用的起點，形成高溫合金新的增長點。燃氣輪機發展前景巨大燃氣輪機作為動力裝置具有體積小、效率高、污染低、功率范圍廣等優點，廣 泛用于工業發電、艦船、石油及天然氣管路輸送、供熱、礦井通風等領域。工 業燃氣輪機按功率等級劃分大體分為微型、輕型、中型、重型 4 個等級。燃氣輪機的效率和可靠性很大程度上取決于熱端部件的技術水平，高溫合金主 要用于渦輪葉片、燃燒室和渦輪輪盤三大核心部件。以重型燃氣輪機為例，目 前形成了以美國 GE、德國西門子、日本三菱重工為主的三大巨頭高度壟斷的局面，主流機型渦輪進口溫度均在 1350℃以上，熱端部件的材料幾乎均選用高 溫合金。燃氣輪機渦輪葉片長時間連續工作在高溫、易腐蝕和復雜應力下，與航空發動 機渦輪葉片相比，對耐久性、抗腐蝕性要求更高。由于高度的合金化使得高溫 合金塑性降低難于鍛壓加工，同時，氣冷技術需要的內腔形狀復雜的葉片只有 采用鑄造技術才能做到，渦輪葉片材料由鍛造合金向鑄造合金發展。燃燒室是燃氣輪機承受溫度最高的部件，燃燒室材料應具有足夠的高溫機械強 度、良好的抗熱疲勞和抗氧化性、較高的高溫高周疲勞強度及蠕變強度。從工 藝看，燃燒室材料還需具有非常好的成形性能及焊接性能，焊后熱處理開裂的 傾向性要小。為了滿足以上工況和工藝要求，燃燒室材料通常采用鎳基高溫合金。燃氣輪機渦輪輪盤直徑是航空發動機的 3-6 倍。渦輪輪盤輪緣長期工作在 550- 600℃，而輪盤中心工作溫度則降至 450℃以下。不同部位的溫差造成了輪盤的 徑向熱應力非常大，輪盤外緣榫齒在燃氣輪機起停過程中會承受較高的低周疲 勞載荷作用。故渦輪輪盤的材料在使用溫度下應具有更高的抗拉強度和屈服強 度，為此，除了合金鋼和耐熱鋼，渦輪輪盤在選材上也應考慮選擇具有良好綜 合性能的變形高溫合金。在軍用領域，海軍艦艇建設以及燃氣輪機裝配比例的提升將帶來高溫合金的增 量。美、英、蘇、德、日等國在 20 世紀 70 年代以后建造的水面艦艇的主動 力絕大部分采用全燃氣輪機動力裝置或柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置。40MW 級燃氣輪機用于萬噸級驅逐艦、兩棲攻擊艦后續艦的綜合電力推進系統原動機;20MW 級燃氣輪機用于萬噸級驅逐艦及其后續艦、6000 噸級驅逐艦、3000 噸 級護衛艦的機械推進主機或綜合電力系統電站原動機;10MW 級燃氣輪機用于 氣墊登陸艇等特種和小型水面艦艇的綜合電力系統電站原動機。我國燃氣輪機 技術相對落后。當前，我國國產艦船用燃氣輪機已經完成國產化批產階段，有 望在我國未來大型護衛艦、大型驅逐艦和新型兩棲登陸艦等水面艦艇上廣泛引 用。在民用領域，由于我國“西氣東輸”、“北氣南下”和沿海經濟發達地區能源結構 調整，以及分布式能源發展的需要，國內燃氣輪機作為中大功率天然氣管道增 壓中途中最廣泛的驅動機，市場需求旺盛，隨著國產替代進程的加速，高溫合金需求有望迎來快速爆發。2017 年國家發改委及國家能源局印發《中長期油氣 管網規劃》提出到 2020 年全國油氣管網規模達到 16.9 萬公里，其中天然氣管 道 10.4 萬公里;到 2025 年規模達到 24 萬公里，其中天然氣管道 16.3 萬公里 的發展目標，則未來 5 年復合增速達到 9.4%。2015 年底，全國天然氣管網為 6.4 萬公里，2018 年底，干線管道總里程達 7.6 萬公里，復合增速 5.9%，慢于 規劃目標。2019 年底，國家管網集團正式成立，從事油氣干線管網及儲氣調峰 等基礎設施的投資建設和運營，預期隨著我國天然氣用量的快速攀升，天然氣 管網建設速度將穩步提升。我們假設未來五年我國天然氣主干管網建設速度每年提高 1.4%，在 2025 年實 現天然氣管道 16.3 萬公里的發展目標。從新疆輪南氣田到上海市區，全長 4000km，沿線約 40 個增壓站。假設平均每 100 公里需要 1 個增壓站，每個增 壓站平均裝備 1 臺燃氣輪機，燃氣輪機單體重量 25 噸，其中高溫合金用量占比 40%，成材率30%，則對應 2025年高溫合金需求達 7333噸，復合增速達25.7%。重型燃氣輪機市場的增量來源于天然氣供應的增長，燃氣發電項目增長帶動高 溫合金需求。燃氣發電具有能源轉換效率高、污染物排放少、啟停迅速、運行 靈活等特點。2019 年 9 月，國家能源局印發《國家能源局關于將華能南通電廠 燃氣輪機發電項目等 24 個項目列入第一批燃氣輪機創新發展示范項目的復函》，明確就 22 個燃氣輪機型號和 2 個運維服務項目開展示范，示范項目聚焦長期制 約我國燃氣輪機產業發展的熱部件等關鍵核心技術裝備，預期隨著各項技術的 突破，我國重型燃氣輪機國產化率有望穩步提高。據東方電氣集團募集說明書， 近幾年，我國市場每年將新增 15 個大型天然氣發電項目，相當于新增 30 臺燃 氣輪機。三菱重工 M701F 燃氣輪機主體重 415 噸，假設大型燃氣輪機單機重 量 400 噸，其中高溫合金用量占比 20%，則重型燃氣輪機對應年高溫合金用量 約 2400 噸。

汽車用高溫合金持續上漲車用高溫合金主要應用于汽車渦輪增壓器。渦輪增壓技術是提高發動機效率、 降低油耗、減少廢氣排放的重要手段。增壓渦輪是增壓器的核心部件，其耐受 溫度和使用壽命決定了整個增壓器的工作溫度和穩定性。隨著增壓器的轉速提 高、體積減小，其使用溫度逐漸升高，目前排氣溫度已達 1000℃以上，世界各國普遍將增壓渦輪材料由耐熱鋼升級為鑄造鎳基高溫合金，國內廣泛應用 K213、 K418、K419、K4002 等牌號合金。隨著國內汽車產量的提升以及國內渦輪增壓車型占比持續提升，高溫合金消費 量將持續上漲。汽車產量方面，2020 年，疫情的爆發加速了汽車產業產銷量觸 底的過程。隨著相關刺激政策的推出，行業消費情緒回暖，汽車產銷量穩步提 升。4 月，在 2019 年相對低基數作用下，汽車單月產銷量恢復正增長，并保持 較快增速。1-11 月，汽車累積產量 2237.2 萬輛，同比小幅下降 3%。從長期來 看，我國汽車行業發展空間巨大，從千人擁有量數據來看，2019 年我國汽車千 人擁有量為 173，在世界銀行發布的全球 20 個主要國家千人汽車擁有量中排名 第 17 位，數量遠低于美國的 837、澳大利亞的 747、意大利的 695 等。渦輪增 壓車型滲透率方面，據蓋世汽車研究院，隨著近年市場規模的增長，中國乘用車渦輪增壓器滲透率不斷提高，2016 年到達 32%，預計 2020 年滲透率將達到 48%。在節能減排的發展趨勢下，未來滲透率有望繼續提升。我們假設未來五年我國汽車產量年增速為 2%，渦輪增壓器滲透率每年提升 1%。據圖南股份招股說明書，每萬輛汽車渦輪增壓器高溫合金用量約為 3.5 噸，則 對應 2025 年高溫合金需求量達 5182 噸，復合增速達 4.0%。核電建設穩步推進在核電裝備制造業中，高溫合金材料主要應用于承擔核反應工作的核島內。核電裝備中主要使用高溫合金的部件包括燃料機組、控制棒驅動機構、壓力容器、 蒸發器以及堆內構件、燃料棒定位格架、高溫氣體爐熱交換器等。核電核準穩步推進，有望帶動核電電源建設投資增長，進而拉動高溫合金消費。日本福島核事故發生后，2016-2018 年我國核電核準進入停滯狀態，直到 2019 年 7 月山東榮成、福建漳州和廣東太平嶺核電項目核準開工，標志著核電審批 正式重啟。2020 年 9 月國務院常務會議核準海南昌江核電二期工程和浙江三澳 核電一期工程，并指出積極穩妥推進核電項目建設，是擴大有效投資、增強能 源支撐、減少溫室氣體排放的重要舉措。據圖南股份招股說明書，一座 100 萬千瓦的核電機組消耗 500 噸高溫合金。2020 年 6 月，中國核能行業協會發布《中國核能發展報告(2020)》提出，“十四五” 及中長期，核電建設有望按照每年 6-8 臺持續穩步推進，預計 2020 年底，我國 在運核電機組總裝機容量達 5200 萬千瓦，在建核電機組裝機容量 1900 萬千瓦 以上;到 2025 年，在運核電裝機達到 7000 萬千瓦，在建 3000 萬千瓦。假設 未來每年新增 500 萬千瓦核電機組，則預計帶來的年高溫合金需求量為 2500 噸 。